Что такое дребезг контактов

Программирование ПЛИС. Изучение явления «дребезг контактов» и метод избавления от него

Мы продолжаем изучение ПЛИС и языка VHDL. В данной статье, ориентированной на новичков, мы изучим явление «дребезг контактов» и рассмотрим способ избавления от него.

Итак, цель работы: Изучить явление «дребезг контактов», создать проект в Xilinx ISE Project Navigator: При нажатии на кнопку значение регистра увеличивается на 1.

Часть 1. Что такое «дребезг контактов»?

«Дре́безг — явление, возникающее в электрических и электронных переключателях, при котором они вместо некоторого стабильного сигнала выдают на выходе случайные высокочастотные колебания» (с) Википедия.
Говоря проще, при нажатии и отпускании кнопки она переходит в нужное состояние не сразу. Какое-то время контакты кнопки «дребезжат» между собой, что будет воспринято микроконтроллером как многократные импульсы. Количество этих импульсов может превышать тысячи. Наглядно дребезг можно увидеть на осциллограмме, на которой показан момент отпускания кнопки:

Часть 2. Создание проекта.

В моей предыдущей статье было подробно описано создание нового проекта для Spartan-3E Starter Kit в Xilinx ISE Project Navigator v12.3. Создадим проект еще раз, назовем его, например, drebezg_habr и внесем в него некоторые изменения:

1. Нам потребуется одна кнопка и восемь светодиодов. Добавим входной сигнал btn и 8 выходных сигналов led в порты:

entity drebezg_habr is
Port ( clk : in STD_LOGIC ;
btn : in STD_LOGIC ;
led : out STD_LOGIC_VECTOR ( 7 downto 0 ) ) ;
end drebezg_habr ;

NET «clk» LOC = «C9» ;
NET «led » LOC = «F12» ;
NET «led » LOC = «E12» ;
NET «led » LOC = «E11» ;
NET «led » LOC = «F11» ;
NET «led » LOC = «C11» ;
NET «led » LOC = «D11» ;
NET «led » LOC = «E9» ;
NET «led » LOC = «F9» ;
NET «btn» LOC = «K17» ;
NET «btn» PULLUP ;

Ножка K17 соответствует нижней кнопке из имеющихся:

Слово PULLUP подключает кнопку по следующей схеме (прямо внутри ПЛИС):

Часть 3. Программирование.

signal count_led : std_logic_vector ( 7 downto 0 ) ;

architecture Behavioral of drebezg_habr is

signal count_led : std_logic_vector ( 7 downto 0 ) ;
signal old_btn : std_logic ;

process ( clk )
begin
if rising_edge ( clk ) then
old_btn btn ;
if old_btn = ‘ 0 ‘ and btn = ‘ 1 ‘ then
count_led count_led + 1 ;
end if ;
end if ;
end process ;

architecture Behavioral of drebezg_habr is

process ( clk )
begin
if rising_edge ( clk ) then
if btn = ‘ 1 ‘ then
count count + 1 ;
if count = btn_wait then
count_led count_led + 1 ;
count 0 ;
end if ;
else
count 0 ;
end if ;
end if ;
end process ;

Значение btn_wait было выбрано 0.25 секунды для того, чтобы значение count_led не прибавлялось слишком часто, пока кнопка находится в зажатом состоянии.
Еще один вариант антидребезга (даже более надежный) — прибавление count на 1 когда btn является логической единицей, и вычитание из count 1 когда btn является нулем. При этом если значение count опускается до 0 значит кнопка не нажата, либо был дребезг. Ну а если count досчитал до заветного btn_wait значит произошло нажатие =)
В качестве домашнего задания могу посоветовать дописать проект: сделайте прибавление count_led после того, как кнопка была нажата и отпущена.

Итак, мы ознакомились на практике с явлением «дребезг контактов» и научились избавляться от него. Это явление можно наблюдать не только в кнопках, тумблерах и прочих подобных вещах, но даже иногда и в различных протоколах, например RS-232.
Исходники проекта здесь. Желаю всем успехов в освоении ПЛИС!

Источник

Дребезг контактов, и как с ним бороться

В данной статье мы рассмотрим, что такое дребезг контактов и способы борьбы с ним. Сначала я рассмотрю теорию, а позже покажу вам некоторые способы обработки дребезга и аппаратно, и программно.

Теория

Что такое дребезг контактов? Когда вы нажимаете на кнопку или на микропереключатель или изменяете положение тумблера, два металлических контакта замыкаются. Для пользователя может показаться, что контакт наступил мгновенно. Это не совсем правильно. Внутри коммутатора есть движущиеся части. Когда вы нажимаете на коммутатор, он вначале создает контакт между металлическими частями, но только в кратком разрезе микросекунды. Затем он делает контакт немного дольше, а затем еще немного дольше. В конце коммутатор полностью замыкается. Коммутатор скачет (дребезжит) между состояниями наличия и отсутствия контакта. «Когда коммутатор замыкается, два контакта фактически разъединяются и снова соединяются обычно от 10 до 100 раз за время, примерно равное 1 мс» («Искусство схемотехники», Хоровиц и Хилл, второе издание). Обычно оборудование работает быстрее, чем дребезг, что приводит к тому, что оборудование думает, что вы нажали на кнопку несколько раз. Оборудование часто является интегральной микросхемой. Следующие скриншоты иллюстрируют типовой дребезг контактов без какой-либо обработки:

Осциллограмма дребезга контактов

Каждый коммутатор обладает своими собственными характеристиками относительно дребезга. Если вы сравните два одинаковых коммутатора, есть большая вероятность того, что они будут «дребезжать» по-разному.

Я покажу вам дребезг четырех разных коммутаторов. Я меня есть две микрокнопки, 1 кнопка и 1 тумблер:

Исследуемые коммутаторы

Настройка оборудования

Все коммутаторы будут подключены одинаково (это важно, если мы собираемся сравнивать результаты). Сначала мы увидим, как коммутаторы ведут себя без обработки. Основой нашей схемы будет HCF4017BE. Это десятичный счетчик/делитель, производимый STMicroelectronics. Они больше не производят эту микросхему, так как этот тип устарел. Тем не менее, есть много других производителей, которые всё еще выпускают эту маленькую микросхему, и они часто совместимы по контактам.

Микросхема получает тактовый импульс на вывод 14, после чего загорается светодиод, подключенный к Q1. Когда принимается следующий тактовый импульс, микросхема отключает Q1 и зажигает Q2, и так далее. Когда счетчик достигает Q8 (вывод 9), он подает импульс на вывод 15, который является выводом сброса. Это означает запуск отсчета, начиная с Q0.

Наша основная схема:

Схема тестового макета (описание выше)

Сначала мы попробуем не обрабатывать дребезг совсем. Схемы подачи тактового сигнала показаны ниже:

На видео мы используем схему справа. Тактовый вывод удерживается на уровне логической единицы, импульс соответствует уровню логического нуля.

Теперь давайте посмотрим некоторые скриншоты осциллографа. Здесь мы использовали левый вариант схемы подачи импульсов: тактовый вывод удерживается на уровне логического нуля, импульс соответствует уровню логической единицы.

Дребезг контактов коммутатора A

Дребезг контактов коммутатора B

Дребезг контактов коммутатора C

Дребезг контактов коммутатора D

И один скриншот я снял для коммутатора C при использовании правой схемы подачи импульсов: тактовый вывод удерживается на уровне логической единицы, импульс соответствует уровню логического нуля.

Дребезг контактов коммутатора C (импульс соответствует логическому нулю)

Как вы можете видеть, микросхеме кажется, что было несколько нажатий на коммутатор. Хотя это и не так, поскольку на коммутатор было выполнено только одно нажатие.

Добавим керамический конденсатор:

При добавлении конденсатора мы создаем RC-цепь. RC-цепи здесь не обсуждаются.

Новые скриншоты осциллографа сильно отличаются от полученных ранее. Это показывает, что RC-цепь отфильтровывает дребезг.

Данное видео показывает, как работает схема с керамическим конденсатором 0,1 мкФ:

Сигнал с коммутатора A после добавления конденсатора

Сигнал с коммутатора B после добавления конденсатора

Сигнал с коммутатора C после добавления конденсатора

Сигнал с коммутатора D после добавления конденсатора

Для коммутатора C (импульс соответствует логическому нулю):

Сигнал с коммутатора C после добавления конденсатора (импульс соответствует логическому нулю)

Эти скриншоты говорят нам о том, что дребезг устранен, и что микросхема «видит» только одно нажатие или переключение. Это то, чего мы и хотели.

Программное подавление дребезга

При работе с микроконтроллерами мы можем справиться с дребезгом контактов по-другому, что позволит сэкономить и место под детали, и деньги. Некоторые программисты не задумываются о дребезжащих коммутаторах и просто добавляют 50 мс задержки после первого «отскока». Это заставляет микроконтроллер ждать остановку дребезга 50 мс, а затем продолжить работу программы. На самом деле это не очень хорошая практика, так как она удерживает микроконтроллер в ожидании окончания задержки.

Другой способ – использовать прерывание для обработки дребезга контактов. Имейте в виду, что прерывание может быть запущено и при нарастающем, и при спадающем фронте, а некоторые микроконтроллеры могут добавлять одно прерывание в стек. Существуют разные мнения о том, как это использовать, но прерывание, вызванное подавлением дребезга, здесь не обсуждается.

Ниже показано простое программное подавление дребезга контактов для Arduino.

Код выше был написан в Arduino IDE.

Следующая программа мигает двумя светодиодами, подключенными к PIC микроконтроллеру. Код может быть похожим на этот:

Микроконтроллер без какого-либо подавления дребезга контактов:

Это пример того, как коммутатор может «запутать» микроконтроллер. Нормального переключения светодиодов не получилось. Похоже, что при нажатии кнопки они живут своей жизнью.

Микроконтроллер с управлением подавлением дребезга контактов:

Как видите, светодиоды хорошо включаются и выключаются по нажатию кнопки.

Заключение

В данной статье мы рассмотрели, что такое дребезг контактов, как он влияет на вашу систему, и различные способы борьбы с ним. Используемые примеры очень просты, но они должны дать вам представление о том, что происходит, когда вы нажимаете на кнопку. При разработке системы вы всегда должны учитывать дребезг контактов переключателя.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

А если применить RS-ТРИГГЕР на 155 серии для подавления дребезга, всегда ли получится?

Спасибо. При переводе статьи пропустил эту ошибку.
Теперь тип переменных, задействованных в подавлении дребезга, – unsigned int.

Источник

Дребезг контактов кнопки ардуино и его подавление и удаление

Дребезг контактов кнопки ардуино – одно из самых неприятных и непонятных явлений, с которыми сталкивается начинающий ардуинщик. Устранение дребезга необходимо для корректной работы проекта, в противном случае на короткий отрезок времени схема становится практически неуправляемы. В этой статье мы рассмотрим основные причины возникновения и способы подавления дребезга. О том, что такое кнопка, как правильно подключать модуль и писать для него скетч вы можете прочитать в первой статье, посвященной кнопкам в ардуино.

Причины дребезга кнопок

Кнопка ардуино – один из самых популярных и простых видов датчиков. В основе работы любой кнопки лежит механический способ смыкания-размыкания контактов. Нажимая на любую, даже самую простую тактовую кнопку, мы формируем определенное давление на внутренние механизмы (пластины или пружины), в результате чего происходит сближение или расхождение металлических пластин.

Мы люди взрослые и хорошо понимаем, что идеального в мире ничего не существует, в том числе идеально гладких поверхностей, контактов без неровностей, сопротивления и паразитной емкости. В нашем неидеальном мире в момент нажатия на кнопку в месте соединения контакты не соприкасаются мгновенно, микро-неровности на поверхности не позволяют пластинам мгновенно соединиться. Из-за этого в короткий промежуток времени на границе пластинок меняется и сопротивление, и взаимная емкость, из-за чего возникают масса разнообразных изменений уровня тока и напряжения. Другими словами, возникают очень интересные, хотя и не очень приятные процессы, которые в электротехнике называют переходными.

Переходные процессы протекают очень быстро и исчезают за доли миллисекунд. Поэтому мы редко их замечаем, например, когда включаем свет в комнате. Лампа накаливания не может менять свою яркость с такой скоростью, и тем более не может реагировать на изменения наш мозг. Но, обрабатывая сигал от кнопки на таком быстром устройстве, как Arduino, мы вполне можем столкнуться с такими переходными эффектами и должны их учитывать при программировании.

В идеальном мире форма сигнала после нажатия на кнопку должна быть строго прямоугольная. В реальных же условиях вместе резкого перехода мы видим множество пиков и спадов.

Ошибки дребезга кнопки

Как отразится дребезг на нашем проекте? Да самым прямым образом – мы будем получать на входе совершенно случайный набор значений. Ведь если мы считываем значение с кнопки непрерывно, в каждом новом рабочем цикле функции loop, то будем замечать все “всплески” и “падения” сигнала. Потому что пауза между двумя вызовами loop составляет микросекунды и мы измерим все мелкие изменения.

Если мы хотим отследить ситуацию, когда кнопка была отпущена после нажатия, то получим множество ложных сигналов – она будет “нажата-отпущена” десятки раз, хотя мы выполнили лишь однократное нажатие.

Вот пример скетча, в котором непременно обнаружится ошибка дребезга. Мы сможем увидеть в мониторе порта в первые мгновения после нажатия целый набор нулей и единиц в случайной последовательности (не важно, что означает 1 – нажатие или отпускание кнопки, важен сам факт появления хаоса).

Естественно, такое поведение ни к чему хорошему не приведет и нам нужно придумать способ борьбы с дребезгом. В нашем арсенале есть два способа: программный и аппаратный. Первый довольно простой, но не всегда его можно использовать в реальных проектах. Второй – более надежный, но требует существенных изменений в схеме. Давайте рассмотрим оба способа подробнее.

Программный способ устранения дребезга кнопок

Самым простым способом справиться с проблемой дребезга кнопки является выдерживание паузы. Мы просто останавливаемся и ждем, пока переходный процесс не завершится. Для этого можно использовать функцию delay()или millis() (за подробной информации можете обратиться к статье про использование функций delay() и millis() в ардуино). 10-50 миллисекунд – вполне нормальное значение паузы для большинства случаев.

В данном примере мы использовали задержку в программе, чтобы не реагировать на случайные всплески и определить реальную смену сигнала.

Борьба с дребезгом кнопки с помощью библиотеки ардуино

Проблема с дребезгом настолько популярна, что есть специальные библиотеки, в которых вам не надо организовывать ожидание и паузы вручную – это все делается внутри специального класса. Пример популярной библиотеки для борьбы с дребезгом кнопок – библиотека Bounce.

Пример использования библиотеки:

Аппаратный способ подавления дребезга кнопки

Подавление дребезга кнопки с помощью задержек в скетче – способ очень распространенный и не требующий изменения самой схемы. Но далеко не всегда его можно использовать – ведь 10 миллисекунд – это целая вечность для многих процессов в электроном мире. Также программный способ невозможно применять при использовании прерываний – дребезг приведет к многократному вызову функций и повлиять на этот процесс в скетче мы не сможем.

Более правильный (и более сложный) способ борьбы с дребезгом – использование аппаратного решения, сглаживающего импульсы, посылаемые с кнопки. Для этого, правда, придется внести изменения в схему.

Аппаратный способ устранения дребезга основан на использовании сглаживающих фильтров. Сглаживающий фильтр, как следует из названия, занимается сглаживанием всплесков сигналов за счет добавления в схему элементов, имеющих своеобразную “инерцию” по отношению к таким электрическим параметрам как ток или напряжение. Самым распространенным примером таких “инерционных” электронных компонентов является конденсатор. Он может “поглощать” все резкие пики, медленно накапливая и отдавая энергию, точно так же, как это делает пружина в амортизаторах.

За счет инерции устройство как утюгом походит по “мятому” сигналу с большим количеством пиков и впадин, создавая пусть и не идеальную, но вполне гладкую кривую, у которой легче определить уровень срабатывания.

Пример простого фильтра на базе RC-цепочки

Схема подключение фильтра для устранения дребезга:

Пример подключения к плате ардуино

Форма сигнала после использования фильтра:

Как видим, “лес” дребезга сменился достаточно плавной линией, с которой уже можно работать дальше.

Подавление дребезга с помощью триггера шмидта

Сделать квадратную форму сигнала с помощью простой RC цепочки невозможно. Для “огранения” сглаженных форм используется специальный компонент, который называется триггер шмидта. Его особенностью является срабатывание при достижении определенного уровня сигнала. На выходе триггера шмидта мы получим или высокий или низкий уровень сигнала, никаких промежуточных значений. Выход триггера инвертированный: при спаде входного сигнала он выдает на выходе включение и наоборот. Ниже представлена схема и результат работы с триггером шмидта.

Иллюстрация результата работы:

Как видим, мы практически полностью избавились от результатов переходных процессов, сперва превратив хаос в почти гладкую кривую линию, а затем с помощью триггера шмидта “отрубили” хвосты, придав сигналу практически идеальный вид. Подав его на вход ардуино, мы уже можем не беспокоиться о ложных срабатываниях и смело использовать в скетче метод digitalRead и прерывания.

Заключение

Явление дребезга кнопок – распространенная проблема, встающая перед всеми разработчиками ардуино. У нас в арсенале есть несколько возможностей устранения дребезга. Программный метод заключается в добавлении задержки в процессе измерения сигнала. Аппаратный способ подавления дребезга с помощью сглаживающего фильтра и триггера шмидта более сложный, но надежный. Выбирайте подходящий вариант, в зависимости от требований к проекту и ваших возможностей.

Источник

Что такое дребезг контактов и как его устранить

Определение и суть проблемы в электронике

Дребезг контактов возникает при нажатии на кнопку и переключатель, он возникает из-за реальных вибраций контактной пластины при её перемещении. Любой переключатель устроен так, что у него есть подвижный и неподвижный контакт. Как видно из названия, подвижным называется тот, что соединен с толкателем или рычагом, на который уже нажимает человек или механизм при работе устройства.

Так как кнопки имеют механическое устройство, то от их качества зависит то, как точно они отрабатывают нажатия. При этом в любом случае полностью устранить явление дребезга нельзя. К чему он приводит?

Если клавиша управляет каким-то электронным устройством с цифровым входом, например, микроконтроллера, логического элемента и пр., то его вход распознает столько нажатий, сколько было импульсов послано в результате возникновения дребезга.

Пример осциллограммы дребезга контактов изображен на рисунке ниже:

Устранение эффекта

Чтобы устранить дребезг контактов, возможно использовать аппаратное или программное решение. К аппаратным решениям относится:

Если рассмотреть это явление на примере сдвигового регистра, то в этом видео наглядно показано его воздействие. После каждого нажатия кнопки должен загораться следующий светодиод.

Схема включения регистра и светодиодов на рисунке ниже:

Кнопка подключена так, как показано на схеме:

Пример осциллограммы сигнала с выраженным дребезгом:

Установив конденсатор на 1 мкФ параллельно кнопке для его подавления, получаем стабильное и точное срабатывание:

А фронт сигнала переключения, как вы можете убедиться, действительно завален, зато без лишних всплесков.

Альтернативой такому решению защиты от этого эффекта, без заваливания фронта и с большим быстродействием является использование триггера Шмидта. Типовая его схема изображена ниже:

На следующем рисунке изображены другие варианты схем на логических элементах для борьбы с дребезгом контактов:

Кроме аппаратного устранения, как было сказано, есть и программный способ решения данной проблемы. Он заключается в написании кода, смысл которого в считывании изменения сигнала, выдержки определенного времени и повторного его считывания.

Пример программного подавления дребезга контактов в Arduino IDE вы можете скачать, перейдя по ссылке: код для подавления дребезга.

Дребезжание реле

Кроме дребезга кнопок в цифровых электронных схемах также доставляет проблемы дребезг контактов в схемах управления реле. К таким схемам можно отнести сумеречное реле или различные датчики протока, а также регуляторы температуры. Когда датчик выдаёт сигнал на пороге срабатывания устройства, получается неопределенное состояние и логика схемы то включает, то отключает его. И при срабатывании реле не всегда наблюдается устойчивое удержание контактов, оно начинает как бы вибрировать, включаясь и отключаясь. На эпюре ниже наглядно изображена эта проблема на примере регулятора температуры:

Решением этой проблемы также является установка порогового элемента петлей гистерезиса в его передаточных статических характеристиках, то есть триггера Шмидта или Компаратора на операционном усилителе. На схеме ниже изображен исходный вариант с рассмотренной на графике проблемой:

А так выглядит схема с дополнением в виде задержки включения на логических элементах 2И-НЕ отечественной микросхемы К561ЛА7:

Иногда с этой же проблемой справляются с помощью установки стабилитрона в сигнальные цепи.

Аналогично дребезгу кнопок при включении реле, его контакты могут повторно несколько раз перекоммутироваться. Явление опасно тем, что в этот момент происходит зажигание и гашение дуги, что значительно снижает срок службы аппарата. Особенно часто это происходит при срабатывании реле на переменном токе.

Всё это связано с механической структурой герконов, реле и других коммутаторов. Их контакты замыкаются не моментально, а в течении долей, единиц или десятков миллисекунд. Чтобы продлить срок службы реле, ознакомьтесь со способами, которые мы описывали в статье о том, почему искрят контакты.

Также рекомендуем посмотреть хорошее видео на эту тему:

Теперь вы знаете, что такое дребезг контактов реле и какие способы борьбы с ним наиболее эффективны. Если возникли вопросы, задавайте и в комментариях под статьей!

Источник